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在高速演变的汽车行业中体现FPGA价值

09/21 15:23 作者:Latticesemi
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当前,全球汽车业正在步入以智能化、网联化、电动化、共享化为代表的“新四化”时代。IHS Markit的数据显示,到2023年,汽车电子系统总额将高达1800亿美元,平均每辆汽车会使用500美元以上的半导体器件,增幅最大的应用分别来自高级驾驶辅助系统动力系统和车载娱乐信息系统。

新变化带来新要求

 

目前汽车行业的技术和架构都正在经历一个快速演变的过程,这一现象背后很重要的推手之一,就在于整车厂越来越意识到来自不同tier 1厂商的ECU之间彼此缺乏关联,他们不得不投入大量时间和资金加以整合,使得整合ECU成为一件“极为辛苦的工作”。但网联汽车和自动驾驶的快速发展正在改变这一现状——在今后的设计中,传统的分布式方案将被集成式方案取代,包括ECU、传感器在内的硬件会得到高度整合;汽车OEM会更关注客户在接口软件层面上的创新,以及为终端客户提供差异化产品的能力。

在智能座舱领域,以特斯拉为代表的造车新势力正通过将仪表板、信息娱乐系统和屏幕显示进行高度集成,使得一块屏幕上需要展示的内容日趋丰富,加之不同品牌车型间的显示器尺寸并不统一,从而对图像的分区切割显示和多元化融合提出了较高要求。但这对低功耗FPGA产品而言并非难事,很多车厂目前都在利用其可编程、并行处理能力强、功耗低、散热少的特点,加速引入相关FPGA平台。

 

同时,随着车载显示大屏化、多屏化、高清化和多形态化趋势日趋明显。很多新车搭载的屏幕数量均突破了2块,部分车型甚至达到了4-5块。随着车内显示屏数量和尺寸的增加,人们对显示质量提出了新的要求,希望能够获得更高的色域,更高的对比度等等。特别是为了缓解里程焦虑,如何提升大尺寸屏幕效率,使之更省电,会是未来几年行业面临的共同课题。

 

车载视觉系统和人工智能技术现在也被大量应用于驾驶员状态监测系统(DMS)、车舱内监控系统(IMS)中,包括:监测驾驶员的疲劳、注意力涣散或损伤;监控乘客,确保儿童/宠物不会被无意中锁在车内,或是包、手机和钱包等物品不会无意中遗忘在车内。

 

因此,ISP图像增强会是极具前景的应用之一。例如,对目前在汽车中大量使用的LCD屏幕,FPGA可以作定制的背光优化,以提升视觉效果和节约能耗。同时,为了支持车载4K显示,FPGA对高速数据处理、接口也进行了广泛的支持,包括1.5G-2.5Gbps MIPIHDMIDisplayPort等。

 

而在高级驾驶辅助系统应用中,最新数据显示,一辆L3级别的自动驾驶车辆将至少配置16个以上的各型传感器,由于主处理器需要连接不同的传感器接口进行数据处理,而且汽车接口也尚未实现真正标准化,所以利用FPGA的可编程特性对不同传感器进行聚合/桥接,或是实现I/O接口扩展,也是新趋势之一。同时,考虑到汽车平台的开发可能需要5-10年的时间,方案是否具备可拓展性也左右着用户的选型决心。

 

另一个值得关注的领域来自电动汽车,尤其是伴随着碳化硅等宽禁带半导体的广泛使用,传统DSP甚至多核DSP控制的精度越来越难以满足汽车行业对驱动控制的时效和正确度要求的提升,而FPGA作为替代方案正在被大量使用。

 

安全性同样需要引起高度关注。越来越多传感器、自动控制和网络连接的出现,在给汽车带来智能化、便捷化、舒适化体验的同时,也让系统更加容易遭受恶意攻击。OEM厂商必须要能够即时检测到漏洞并防止网络攻击,还需要电子系统能够在严酷的环境中稳定安全运行。对半导体器件来说,增加硬件安全引擎,使之能够在遭到未经授权的访问时对固件进行保护、检测和恢复,就显得更为关键。

加速开发下一代汽车应用

CertusPro-NX汽车级FPGA系列产品,是莱迪思日前面向车载信息娱乐(IVI)系统高速视频互连、5GbE车载网络(IVN)ADAS传感器数据处理等应用,推出的拥有领先的低功耗、高性能以及同类产品最小尺寸的FPGA新品。

 

但这并不是莱迪思在汽车领域的首次尝试。事实上,面向汽车照明、信息娱乐系统和远程信息处理等通用需求、高速视频和传感器、汽车设计中的平台管理和安全应用三大方向,莱迪思依次布局了ECP/Certus系列、CrossLink系列和MachXO系列模块化硬件平台,并与RadiantDIAMONDPropel设计环境、以及mVisionAutomatesensAI解决方案集合一起,构建起了完整的“模块化硬件平台+参考设计+神经网络IP+定制设计服务”矩阵,用以加速并简化汽车相关系统设计流程和上市时间。

 

 

作为Nexus家族的第四款产品系列,CertusPro-NX主要是为了满足智能系统中的数据协同处理、5G通信基础设施中的高带宽信号桥接、以及ADAS系统中的传感器接口桥接等创新应用需要而推出的,并在功耗设计、系统带宽、边缘处理、可靠性、封装多样性等多个方面得到了进一步提升。

 

之所以选择这样的设计思路,是因为从当前的行业发展趋势来看,网络边缘设备的智能化程度正在大幅提高,它们一方面需要更高的接口带宽以便于快速传输数据,另一方面又需要更多小尺寸的系统集成和便于优化散热管理的低功耗方案。

 

与竞品相比,CertusPro-NX汽车级器件不仅拥有行业领先的能耗效率和可靠性,还在超小的封装尺寸中提供了行业最佳的系统带宽,且是同类产品中唯一支持LPDDR4外部存储器的FPGA产品。CertusPro-NX汽车级器件支持高达8.1GbpsSERDES、高达96k的逻辑单元,拥有同类产品中最多的片上存储器资源,从而实现的高效处理。

 

 

凭借对高速SERDES的支持,CertusPro-NX汽车级产品还增加了很多独特的功能,支持桥接信息娱乐系统SoC的视频输入以及图像质量增强功能,包括局部调光,FPGA直接视频处理,支持嵌入式显示端口。该系列器件可以分担系统的视频增强功能,同时添加更多连接功能(如下图所示)

 

 

通过利用莱迪思在FPGA架构方面的创新和28nm低功耗FD-SOI制造工艺,CertusPro-NX器件的功耗比同类竞品FPGA低四倍。通过改变基底的偏压,开发人员可以自由选择采用高性能(HP)还是低功耗(LP)模式运行。

 

CertusPro-NX FPGA支持多达8个可编程SERDES通道,速度高达8.1Gbps,提供同类产品中最高的系统带宽(是同类竞品FPGA的两倍之多),并支持主流的通信和显示接口,如10Gigabit EthernetPCI ExpressSLVS-ECCoaXPressDisplayPort

 

CertusPro-NX FPGA的设计面积仅为81mm2,比竞品器件小6.5倍,例如拥有相同逻辑单元的Xilinx Artix-7 100K LC的尺寸面积为529mm2,是CertusPro-NX6.5倍;而尺寸面积为121mm2Intel Cyclone V GT 77K LC,逻辑单元仅有77K。这样的小尺寸设计对于汽车、工业摄像头或通信系统中使用SFP模块的开发人员来说,是一个关键的设计考虑因素。

 

此外,考虑到汽车、工业和通信领域的关键型应用必须有高的可靠性,实现可预测的性能并确保用户安全,莱迪思将CertusPro-NX器件抗软错误能力提高了100倍,并可在-40℃125℃的结温范围内正常工作。同时,为了保护其位流免于未经授权的访问,CertusPro-NX FPGA还支持AES-256加密和椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)位流身份验证。这意味着,CertusPro-NX FPGA能够以合理的商业成本为下一代通信、嵌入式、工业和汽车应用带来极高的可靠性,帮助系统时刻保持在线,保障最终用户的安全。

 

CertusPro-NX FPGA的上述特性和优势现已通过AEC-Q100认证,可供汽车制造商使用。首发器件CPNX-100K拥有96K的逻辑单元数量,EBR(嵌入式memory)和大型RAM分别达到3.7Mb3.6Mb18×18 DSPPLL数量最高可达156个和4个,并支持10GE PCSPCIe Gen 3SGMII CDRADC等硬核模块,预计将于2023Q1实现量产。

 

 

自面世以来,CertusPro-NX一直被莱迪思视作主流FPGA市场的“新标杆”,有机会通过PCIe Gen3LPDDR4等新技术来巩固其市场地位,更好地服务于汽车、5G基站、工业物联网和机器视觉等新兴市场。

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